半導体層形成装置、半導体層製造方法
【課題】真空槽内に導入する反応ガスと副ターゲットとを反応させずに副ターゲットをスパッタリングする。
【解決手段】真空槽５１内の主ターゲット４２を、希ガスと反応性ガスとを含有する主スパッタリングガスでスパッタリングし、成膜対象物２８表面に到達させて半導体層２６を形成する際に、真空槽５１内に分離容器６２を配置し、分離容器６２内にドーパントの副ターゲット６４を配置する。分離容器６２の外部と内部は、主排気装置４７と副排気装置６５とで別々に真空排気し、また、分離容器６２内部に希ガスを供給すると、副ターゲットは反応性ガスと接触せずにスパッタされ、副ターゲット６４を構成する材料の反応生成物は発生しない。
【解決手段】真空槽５１内の主ターゲット４２を、希ガスと反応性ガスとを含有する主スパッタリングガスでスパッタリングし、成膜対象物２８表面に到達させて半導体層２６を形成する際に、真空槽５１内に分離容器６２を配置し、分離容器６２内にドーパントの副ターゲット６４を配置する。分離容器６２の外部と内部は、主排気装置４７と副排気装置６５とで別々に真空排気し、また、分離容器６２内部に希ガスを供給すると、副ターゲットは反応性ガスと接触せずにスパッタされ、副ターゲット６４を構成する材料の反応生成物は発生しない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子の技術分野に係り、特に、光素子中のｎ型のＧａＮ層を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在では、信号機、装飾用電球等の特殊分野ばかりでなく、通常の照明器具にも発光ダイオードが用いられるようになっている。
発光ダイオード用半導体のうち窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、青色用の光デバイスとして実用化されており、太陽電池等の他の光デバイスへの応用も検討されている。
【０００３】
現状、製品化されているＧａＮ系光デバイス・電子デバイスのＧａＮ層はＭＯＣＶＤで作製されており、ＧａＮ内でｐｎ接合を形成するための、ドナーにはＳｉが使用され、アクセプターにはＭｇが使用されている。
しかし、ＭＯＣＶＤプロセスは多量のＮＨ3やＨ2を使用するため、生産設備にはガス除害装置が必要となり、設備全体の価格およびプロセスガスの費用が高価になってしまう。
【０００４】
それを解決するために、低コストでのＧａＮ成長技術として、スパッタプロセスが検討されており、光デバイス（ダイオード）として機能するｐｎ接合を形成するためには、ｎ型ＧａＮではＳｉ、ｐ型ＧａＮではＭｇの０．００１原子％〜数原子％の範囲で制御し同時にＧａＮをスパッタで成長させる技術が求められている。スパッタリング法によって、ＳｉやＭｇをＧａＮに含有させる技術は下記特許文献等に記載されている。
【０００５】
しかしながら、化合物半導体の半導体層を成長させる際には、化合物半導体中の元素のうち、気体となって分離する元素の割合が半導体層中で不足しないように、その元素の原子を化学構造中に有する反応性ガスを使用しながら化合物半導体ターゲットをスパッタして、半導体層を成長させる反応性スパッタリングが行われている。
【０００６】
その際に、ドーパントのターゲットを一緒にスパッタしてドーパントを添加しようとすると、ドーパントの物質が反応性ガスと反応し、反応生成物が半導体中に添加されてしまう。反応生成物は、半導体層中でドーパントとして機能せず、ドーパントの実効的な濃度制御が困難である。
【０００７】
例えば半導体のＧａＮターゲットとｎ型ドーパントのＳｉターゲットを一緒にスパッタリングする際に、Ｎ2やＮＨ3ガス等の反応性ガスを用いると、ＳｉがＳｉＮとなって成長するＧａＮ層に添加されるため、実効的な濃度が正確なｎ型ＧａＮを形成することが困難である。
【０００８】
他方、ドーパントの種類によっては半導体ターゲットと同程度のスパッタリングレートの物質があり、ドーパントのターゲットと半導体ターゲットとを一緒にスパッタすると、半導体層中にドーパントが必要以上に多く含有され、やはり、ドーパントの実効的な濃度制御が困難である。
【０００９】
ドーパントのうち、アクセプタのＭｇについては、ＭｇのスパッタリングレートはＧａＮと同程度の値であり、ＭｇターゲットをスパッタしてＧａＮを成長させながらＭｇをドーピングさせると、Ｍｇが必要以上に多くドーピングされ、実効的な濃度が正確なｐ型のＧａＮを形成することは困難である。
【００１０】
Ｍｇの場合には、発光に有効なｐｎ接合を形成するために、Ｍｇを、ＧａＮ層中に０．００１原子％〜１原子％の範囲で含有させながら、ＧａＮ層をエピタキシャル成長させることができる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１２４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、Ｓｉ窒化物を発生させずに、半導体層にＳｉをドープできる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、真空排気される真空槽と、前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットを有し、前記主ターゲットをスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層形成装置であって、前記真空槽内には、ドーパントを含有する副ターゲットが配置された分離容器と、前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気を真空排気する主排気装置と、前記真空槽内の前記分離容器の外部に主スパッタリングガスを供給する主ガス供給系と、前記副ターゲットと前記成膜対象物の間には、貫通孔を有する放出量制限部材が配置され、前記副ターゲットのスパッタリングによって、前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記貫通孔を通過して前記成膜対象物の表面に到達するように構成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記分離容器の内部雰囲気を真空排気する副排気装置と、前記分離容器の内部に副スパッタリングガスを供給する副ガス供給系とを有する半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスが含有され、前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率が小さくされた半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記薄膜材料はＧａであり、前記ドーパントはＳｉであり、前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスである半導体層形成装置である。
本発明は、真空槽と、前記真空槽に接続され、前記真空槽内に主スパッタリングガスを供給するガス供給装置と、前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有する半導体層形成装置を用い、前記真空槽を真空排気しながら前記真空槽内に前記主スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットを前記主スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層製造方法であって、副ターゲットは、真空槽内に配置された分離容器内に配置し、前記真空槽内に配置されたドーパントを含有する前記副ターゲットと前記成膜対象物との間に放出量制限部材を配置しておき、前記分離容器の外部雰囲気と内部雰囲気とを別々に真空排気しながら、前記外部雰囲気には前記主スパッタリングガスを導入し、前記内部雰囲気には副スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットと前記副ターゲットとを、前記主スパッタリングガスと前記副スパッタリングガスとで、それぞれスパッタリングし、前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記放出量制限部材に設けられた貫通孔を通過させて前記成膜対象物に到達させ、前記半導体層に前記ドーパントを含有させる半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記真空槽の内部であって、前記主ターゲットと前記副ターゲットをスパッタリングする際には、前記分離容器の外部の圧力よりも、前記分離容器の内部の圧力を高くする半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを含有させ、前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率を小さくする半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記薄膜材料にはＧａを用い、前記ドーパントにはＳｉを用い、前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスを用いる半導体層製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
反応性ガスの圧力について、半導体層の構成物質の少なくとも一部の元素を含む薄膜材料の主ターゲットの周囲の雰囲気の圧力よりも、ドーパントを含有する副ターゲットの周囲の雰囲気の圧力の方を低くすることができるので、Ｓｉの副ターゲット表面と反応性ガスの反応が防止され、半導体層の実効的なドーパント濃度を正確に制御することができる。
【００１５】
また、放出量制限部材の遮蔽部分と貫通孔との間の面積割合や主ターゲットへの投入電力と副ターゲットへの投入電力の比率により、半導体層に含有されるドーパントの濃度を制御することが出来るので、ドーパント濃度を正確にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の半導体層形成装置の一例
【図２】本発明の半導体層形成装置が用いられる光素子製造装置の一例
【図３】本発明の半導体層形成装置が用いられる光素子製造装置の他の例
【図４】(ａ)〜(ｆ)：光素子を製造する工程を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図４(ａ)の符号２１は本発明に用いる基板であり、成膜対象物である。基板２１には、ここではサファイア基板が用いられている。なお、基板２１には、サファイア基板ではなく、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等の半導体基板の他、サファイア上にＧａＮや他の半導体を成長させたテンプレート基板等を用いることもできる。
【００１８】
図２の符号１は、基板２１の表面に光素子を形成する光素子製造装置であり、搬入室１１と、バッファー層形成室１２と、アニール室１３と、ｉ−半導体層形成室１４と、第一導電型半導体層形成室１５と、ＭＱＷ形成室１６と、第二導電型半導体層形成室１７と、搬出室１８とを有している。
【００１９】
各室１１〜１８の間は、真空バルブ１９を介してその順序で直列に接続されている。真空バルブ１９は、基板２１が各室１１〜１８の間を移動する際に開閉されるようになっている。
各室１１〜１８には、それぞれ真空ポンプが接続されており、バッファー層形成室１２と、アニール室１３と、ｉ−半導体層形成室１４と、第一導電型半導体層形成室１５と、ＭＱＷ形成室１６と、第二導電型半導体層形成室１７とは、それぞれ真空排気されて真空雰囲気にされている。
【００２０】
ｐ型とｎ型のうち、ｎ型を第一導電型、ｐ型を第二導電型として説明するが、この実施例では、第一、第二半導体層として、第一導電型又は第二導電型のドーパントを含有するＧａＮ層が形成される。
【００２１】
光素子を形成するために、先ず、基板２１を搬入室１１内に搬入し、搬入室１１内を真空排気した後、搬入室１１とバッファー層形成室１２の間の真空バルブ１９を開けて搬入室１１の内部とバッファ層形成室１２の内部とを接続し、基板２１を搬入室１１からバッファ層形成室１２内に移動させる。各室１１〜１８間の真空バルブ１９は、基板２１が通過すると閉じられる。
【００２２】
バッファー層形成室１２内には、バッファー用材料から成るバッファー用ターゲット(ここでは、バッファー用材料は、Ｇａ又はＧａＮのいずれか一方又は両方である。二個以上のバッファー用ターゲットを配置する場合は、Ｇａから成るバッファー用ターゲットと、ＧａＮから成るバッファー用ターゲットとの両方を配置することもできる。)が配置されており、バッファー層形成室１２内にスパッタリングガスを導入し、バッファー用ターゲットに電圧を印加してスパッタリングガスをプラズマ化し、バッファー用ターゲットをスパッタリングする。
【００２３】
ここでは、スパッタリングガスには、Ａｒ等の希ガスと、化学構造中に形成するバッファー層の少なくとも一元素(ここでは窒素原子)を有する反応性ガス(ここではＮ2ガスが用いられているが、この反応性ガス及び他の層を形成する際の反応性ガスは、Ｎ2、ＮＨ3、ＮＨ2ＮＨ2等が含まれる。)とが含まれており、図４(ｂ)に示すように、基板２１表面には、低温で、半導体材料(ここではＧａＮ)から成るバッファー層２２が形成される。
【００２４】
バッファー層２２を所定膜厚に形成した後、基板２１をアニール室１３に移動させる。
アニール室１３の内部には、赤外線ランプヒーターが設けられており、赤外線ランプヒーターに通電し、昇温させて赤外線を放射させ、基板２１に赤外線を照射し、基板２１を１０００℃〜１１００℃の温度範囲に加熱し、形成したバッファー層２２をアニールする。アニールによってバッファー層２２を結晶化させた後、基板２１をｉ−半導体層形成室１４に移動させる。
【００２５】
ｉ−半導体層形成室１４内には、真性半導体材料(この例ではＧａ)を含有する真性半導体用ターゲット(ここでは、Ｇａターゲット又はＧａＮターゲットのいずれか一方。二台の真性半導体用ターゲットを配置する場合は両方を配置することもできる。)が配置されており、ｉ−半導体層形成室１４内に、上記バッファー層２２のスパッタリングガスと同様に、Ａｒ等の希ガスと、化学構造中に真性半導体を構成する物質の少なくとも一元素(ここでは窒素原子)を有する反応性ガス(ここではＮ2ガス)とを含有するスパッタリングガスを導入し、基板２１を加熱しながら真性半導体用ターゲットに電圧を印加し、真性半導体用ターゲットをスパッタリングし、図４(ｃ)に示すように、バッファー層２２の表面に真性半導体層２３を形成する。ここでは、真性半導体層２３にはドーパントは含有されず、ｉ−ＧａＮ層で構成されている。
【００２６】
真性半導体層２３を所定膜厚に形成した後、基板２１を第一導電型半導体層形成室１５に移動させる。
第一導電型半導体層形成室１５の内部構造を図１に示す。
第一導電型半導体層形成室１５は、真空槽５１を有しており、真空槽５１の内部には、主ターゲット装置５３と、副ターゲット装置６０とが配置されている。
【００２７】
真空槽５１の内部の天井側には基板ホルダ５５が配置されており、主ターゲット装置５３と副ターゲット装置６０とは、その下方に位置している。第一導電型半導体層形成室１５内に移動された成膜対象物２８は、バッファー層２２が形成された面を主ターゲット装置５３と副ターゲット装置６０とが配置された方角に向けて基板ホルダ５５に配置される。
【００２８】
主ターゲット装置５３は、主電極４１と、第一導電型半導体層の材料となる第一薄膜材料を含有する主ターゲット４２を有している。
真空槽５１には、主排気装置４７と主ガス供給装置５０とが接続されており、主排気装置４７を動作させると真空槽５１内が真空排気され、真空槽５１の内部が真空雰囲気にされる。
【００２９】
主ガス供給装置５０には、化学構造中に窒素を有する反応性ガス(この例ではＮ2ガス)が充填された反応性ガスボンベ５８と、希ガスボンベ５９とが設けられており、主排気装置４７の動作によって真空槽５１の内部が所定圧力の真空雰囲気にされた後、主ガス供給装置５０から真空雰囲気にされた真空槽５１の内部に、希ガス(ここではＡｒガス)と反応性ガス(ここではＮ2ガス)とを含有する主スパッタリングガスを供給する。
【００３０】
主ターゲット４２は、円板や四角板等の平板状であり、表面を上方に位置する基板ホルダ５５に向けて主電極４１上に配置されている。
真空槽５１の外部には、主スパッタ電源４９が配置されている。主電極４１は主スパッタ電源４９に接続されており、主スパッタ電源４９を動作させると主電極４１に直流電圧、交流電圧(高周波電圧を含む)、パルス状電圧が重畳された直流電圧等が印加される。
【００３１】
真空槽５１の内部が所定圧力の主スパッタリングガスの雰囲気になった後、主スパッタ電源４９によって主電極４１に電圧を印加すると、主ターゲット４２表面がスパッタリングされ、主ターゲット４２の構成材料がスパッタリング粒子として放出され、基板ホルダ５５に配置された成膜対象物２８の真性半導体層２３の表面に到達する。
【００３２】
第一薄膜材料は、第一導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質であり、反応ガスは、第一導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含むガスであり、反応性ガスは、スパッタリングの際に形成されるプラズマ中で分解される。
【００３３】
第一薄膜材料の主ターゲットからスパッタリングされた物質は、プラズマ中で分解された反応性ガスと反応して、第一導電型半導体層を構成する半導体が反応生成物として生成される物質である。
【００３４】
主ターゲット４２が第一薄膜材料で構成されている場合は、導入された反応性ガスから発生した、第一薄膜材料と反応し第一導電型半導体層を形成する物質が成長する薄膜に取り込まれ、第一薄膜材料と反応して真性半導体層２３の表面に第一薄膜材料の窒化物の薄膜が成長する。
なお、第一薄膜材料を含有する主ターゲットには、第一薄膜材料だけで構成されたターゲットと、第一導電型半導体層と同じ物質で構成されたターゲットの両方が含まれる。
【００３５】
一個の主ターゲットを用いる場合は、第一導電型半導体層を構成する物質から成るターゲットと、第一薄膜材料から成るターゲットとのうち、いずれか一方のターゲットを第一導電型半導体層形成室１５内に配置することができる。
二個以上の主ターゲットを用いる場合は、第一導電型半導体層と同じ物質のターゲットと、第一薄膜材料から成るターゲットの両方を一緒に第一導電型半導体層形成室１５内に配置することができる。
この例では、第一導電型半導体層はＧａＮであり、第一導電型半導体層を構成する元素は、ＧａとＮの二種類あり、第一薄膜材料はＧａであり、反応性ガスは、他の元素であるＮを化学構造中に有している。
【００３６】
主ターゲット４２はＧａＮターゲットであるが、この反応性ガスを用いれば、主ターゲット４２にＧａターゲットを用い、第一薄膜材料を窒化して、ＧａＮから成る第一導電型半導体層を形成してもよい。
主ターゲット４２が 第一導電型半導体層と同じ物質で構成されている場合であっても、その一部は、スパッタリングの際に、分解して一部の元素が失われてしまうが、プラズマによって反応性ガスから生成された失われた元素が、成長する薄膜中に取り込まれ、第一薄膜材料と反応して、特定の元素が欠陥しない第一導電型半導体層２４が形成される。
【００３７】
他方、副ターゲット装置６０は、分離容器６２と、副電極６１と、放出量制限部材６３と、副ターゲット６４とを有している。
副ターゲット６４は、副電極６１上に配置されており、その状態で、分離容器６２の内部に配置されている。分離容器６２の開口は、基板ホルダ５５に向けられており、副ターゲット６４は、分離容器６２の開口から基板ホルダ５５に向くように配置されている。副ターゲット６４は、第一の導電型のドーパントで構成されており、この例では、副ターゲット６４はＳｉで構成されている。
【００３８】
副ターゲット６４と成膜対象物２８との間には、放出量制限部材６３が配置されている。
ここでは、放出量制限部材６３は、分離容器６２の開口に配置され、分離容器６２を蓋しており、従って、副ターゲット６４は、放出量制限部材６３によって蓋がされた分離容器６２の内部空間に配置されている。
【００３９】
放出量制限部材６３は円板や四角板等の板に複数の貫通孔６６が設けられて網状にされており、貫通孔６６を介して、分離容器６２の内部雰囲気と外部雰囲気とが接続されている。
分離容器６２には排気口が設けられており、この排気口には副排気装置６５が接続されている。
従って、真空槽５１の内部雰囲気に於いて、分離容器６２の外部雰囲気は主排気装置４７によって真空排気され、分離容器６２の内部雰囲気は副排気装置６５によって真空排気される。
【００４０】
分離容器６２には、副ガス供給系６７が接続されており、副ガス供給系６７から分離容器６２の内部に、副スパッタリングガスが供給されるようになっている。
従って、主ガス供給装置５０と副ガス供給系６７によって、分離容器６２の外部雰囲気と内部雰囲気にそれぞれ主、副スパッタリングガスを供給しながら、主排気装置４７と副排気装置６５によって、分離容器６２の外部雰囲気と内部雰囲気とをそれぞれ真空排気することができる。
【００４１】
即ち、真空槽５１の内部に於いて、分離容器６２の内部雰囲気と、分離容器６２の外部雰囲気とは別々に真空排気され、主スパッタリングガスと副スパッタリングガスが別々に供給される。
副スパッタリングガスは、主スパッタリングガスよりも反応性ガスの含有率が小さく、本例では、副スパッタリングガスは、希ガスから成り、反応性ガスを含有しないガスが用いられている。
【００４２】
副電極６１は、副スパッタ電源６９に接続されており、副スパッタ電源６９を起動して副電極６１に直流電圧、交流電圧(高周波電圧を含む)、パルス状電圧が重畳された直流電圧等が印加されると、副ターゲット６４は副スパッタリングガスによってスパッタリングされる。
【００４３】
放出量制限部材６３には、一個又は複数個の貫通孔６６が設けられている。放出量制限部材６３は、副ターゲット６４と基板ホルダ５５の間の位置に配置されており、副ターゲット６４のスパッタリング粒子は、一部が貫通孔６６を通過して、分離容器６２の外部に放出され、他の一部は放出量制限部材６３の裏面や分離容器６２の壁面等に衝突してその場に付着し、分離容器６２の外部には放出されない。
【００４４】
放出された副ターゲット６４のスパッタリング粒子は分離容器６２の外部雰囲気を飛行し、基板ホルダ５５に配置された成膜対象物２８の真性半導体層２３表面に到達する。従って、成膜対象物２８の表面には、主ターゲット４２のスパッタリング粒子と、副ターゲット６４のスパッタリング粒子とが到達する。この例では、副ターゲット６４のスパッタリング粒子はＳｉであり、主ターゲット４２のスパッタリング粒子はＧａＮ又はＧａである。
【００４５】
貫通孔６６を通過して副ターゲット装置６０から真空槽５１の内部に放出されるスパッタリング粒子の量は、副ターゲット６４から放出されるスパッタリング粒子の一部であり、従って、成膜対象物２８には、放出量制限部材６３を設けないときよりも少量の副ターゲット６４のスパッタリング粒子が到達する。
【００４６】
成膜対象物２８に到達する副ターゲット６４のスパッタリング粒子の量は、放出量制限部材６３に形成する貫通孔６６の開口の面積と、貫通孔６６以外の部分の面積の比によって制御することができ、また、分離容器６２の内部雰囲気の圧力によっても制御することができる。
【００４７】
成膜対象物２８には、主ターゲット４２のスパッタリング粒子の方が、副ターゲット６４のスパッタリング粒子よりも多量に到達するようにされており、図４(ｄ)に示すように、真性半導体層２３の表面に、第一導電型のドーパントを含有し、第一導電型の第一導電型半導体層２４が形成される。
【００４８】
第一導電型半導体層２４を所定膜厚に形成した後、基板２１を、ＭＱＷ形成室１６に移動させる。
ＭＱＷ形成室１６はＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置であり、ＭＱＷ形成室１６の内部に原料ガスを導入し、第一導電型半導体層２４の表面に、井戸層と障壁層(ここではＧａＮ層とＩｎＧａＮ層)とを交互に積層し、図４(ｅ)に示すように、第一導電型半導体層２４上に、井戸層と障壁層の積層膜から成るＭＱＷ(multiple-quantum well：多重量子井戸)層２５を形成する。
【００４９】
ＭＱＷ層２５を所定膜厚に形成すると、第二導電型半導体層を形成するための成膜対象物２８が得られる。その成膜対象物２８は、第二導電型半導体層形成室１７に移動させ、図４（ｆ）に示すように、ＭＱＷ層２５の表面に第二導電型半導体層(ここではｐ型)２６が所定膜厚形成されると、基板２１上に、バッファー層２２と、真性半導体層２３と、第一導電型半導体層２４と、ＭＱＷ層２５と、第二導電型半導体層２６とがこの順序で積層された光素子２９が得られる。
【００５０】
第二導電型半導体層２６としては、第二薄膜材料であるＧａの窒化物(ＧａＮ)が、ドーパントであるＭｇを微少に含有する第二導電型のＧａＮ薄膜が形成されている。
次に、得られた光素子２９は搬出室１８に移動させ、光素子製造装置１の外部に取り出すと、一連の光素子形成工程が終了する。
【００５１】
以上説明したように、本発明では、真空槽５１が主排気装置４７に接続されて真空排気されると共に、分離容器６２も副排気装置６５に接続されて真空排気されており、主、副スパッタリングガスの供給速度や、主排気装置４７と副排気装置６５の排気速度を制御することで、分離容器６２内の圧力を、真空槽５１の内部であって分離容器６２の外部の圧力よりも高くすると、分離容器６２の内部に主スパッタリングガスに含まれる反応性ガスは侵入しなくなり、副ターゲット６４が反応ガスと反応しないで済む。
【００５２】
それに対し、分離容器６２と放出量制限部材６３とが設けられておらず、副ターゲット６４が主スパッタリングガス中に含まれる反応性ガスに接触してスパッタリングされる場合には、副ターゲット６４は反応性ガスと反応し、Ｓｉの窒化物が生成される。
【００５３】
Ｓｉはスパッタリングレートは低いため、スパッタリング法によって半導体層にＳｉを添加できるが、シリコン窒化物はドーパントとして機能しないため、ＳｉをスパッタリングするとＳｉ窒化物が形成される環境では、電気的に有効なドーパントの濃度を制御することが困難になる。
本願発明では、Ｓｉ窒化物は生成されないため、ドーパント濃度の制御が容易である。
【００５４】
なお、上記実施例では省略したが、各層２２〜２６の形成の際に基板２１の表面上に所定パターンの開口を有するマスクを配置して、パターニングされた各層２２〜２６を形成することができる。
【００５５】
反応性ガスを含有する主スパッタリングガスを用いる場合は、含有率が多い方が成長する薄膜に窒素が多く取り込まれるから、窒化物から成る半導体層を形成する場合、主スパッタリングガス中では、反応性ガスの分圧の方が、希ガスの分圧よりも高い(反応性ガス圧力＞希ガス圧力)ことが望ましい。
【００５６】
上記実施例では、板状の金属材料に、一又は二以上の貫通孔６６が形成された放出量制限部材６３を用いたが、例えば金属製の網やセラミックス製の網を放出量制限部材６３として用いても良い。要するに、副ターゲット６４のスパッタリング粒子を減少させて真空槽５１の内部に放出するようにすればよい。
【００５７】
上記実施例では、第一薄膜材料と反応する反応ガスに、反応性ガスを用いたが本発明は、反応性ガスに限定されるものでは無く、薄膜材料と反応して半導体層の物質を発生させるガスであれば反応性ガスに含まれる。
【００５８】
上記実施例では、真空槽５１の内部のうち、分離容器６２の外部を主排気装置４７によって真空排気し、分離容器６２の内部を、主排気装置４７とは別の副排気装置６５によって真空排気したが、反応性ガスを分離容器６２の内部を通過させずに真空排気して分離容器６２の内部を外部よりも低圧にできれば、同じ真空排気装置によって分離容器６２の内部と外部を別々に真空排気してもよい。
【００５９】
また、上記の例では、各室１１〜１８が一列に直列接続されていたが、図３に示す光素子製造装置２のように、搬入室７１と、バッファー層形成室７２と、アニール室７３と、ｉ−半導体層形成室７４と、第一導電型半導体層形成室７５と、ＭＱＷ形成室７６と、第二導電型半導体層形成室７７と、搬出室７８とを、基板搬送ロボット７０が配置された搬送室７９に設け、基板搬送ロボット７０によって、搬入室７１から搬入した基板２１を、各室７１〜７９の間で成膜して移動させ、搬出室７８から搬出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
２１……基板
２２……バッファー層
２３……真性半導体層
２４……第一導電型半導体層
２５……ＭＱＷ層
２６……第二導電型半導体層
５１……真空槽
５０……主ガス供給装置
６１……副電極
６２……分離容器
６３……放出量制限部材
６４……副ターゲット
６６……貫通孔
４２……主ターゲット(ターゲット)
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子の技術分野に係り、特に、光素子中のｎ型のＧａＮ層を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在では、信号機、装飾用電球等の特殊分野ばかりでなく、通常の照明器具にも発光ダイオードが用いられるようになっている。
発光ダイオード用半導体のうち窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、青色用の光デバイスとして実用化されており、太陽電池等の他の光デバイスへの応用も検討されている。
【０００３】
現状、製品化されているＧａＮ系光デバイス・電子デバイスのＧａＮ層はＭＯＣＶＤで作製されており、ＧａＮ内でｐｎ接合を形成するための、ドナーにはＳｉが使用され、アクセプターにはＭｇが使用されている。
しかし、ＭＯＣＶＤプロセスは多量のＮＨ3やＨ2を使用するため、生産設備にはガス除害装置が必要となり、設備全体の価格およびプロセスガスの費用が高価になってしまう。
【０００４】
それを解決するために、低コストでのＧａＮ成長技術として、スパッタプロセスが検討されており、光デバイス（ダイオード）として機能するｐｎ接合を形成するためには、ｎ型ＧａＮではＳｉ、ｐ型ＧａＮではＭｇの０．００１原子％〜数原子％の範囲で制御し同時にＧａＮをスパッタで成長させる技術が求められている。スパッタリング法によって、ＳｉやＭｇをＧａＮに含有させる技術は下記特許文献等に記載されている。
【０００５】
しかしながら、化合物半導体の半導体層を成長させる際には、化合物半導体中の元素のうち、気体となって分離する元素の割合が半導体層中で不足しないように、その元素の原子を化学構造中に有する反応性ガスを使用しながら化合物半導体ターゲットをスパッタして、半導体層を成長させる反応性スパッタリングが行われている。
【０００６】
その際に、ドーパントのターゲットを一緒にスパッタしてドーパントを添加しようとすると、ドーパントの物質が反応性ガスと反応し、反応生成物が半導体中に添加されてしまう。反応生成物は、半導体層中でドーパントとして機能せず、ドーパントの実効的な濃度制御が困難である。
【０００７】
例えば半導体のＧａＮターゲットとｎ型ドーパントのＳｉターゲットを一緒にスパッタリングする際に、Ｎ2やＮＨ3ガス等の反応性ガスを用いると、ＳｉがＳｉＮとなって成長するＧａＮ層に添加されるため、実効的な濃度が正確なｎ型ＧａＮを形成することが困難である。
【０００８】
他方、ドーパントの種類によっては半導体ターゲットと同程度のスパッタリングレートの物質があり、ドーパントのターゲットと半導体ターゲットとを一緒にスパッタすると、半導体層中にドーパントが必要以上に多く含有され、やはり、ドーパントの実効的な濃度制御が困難である。
【０００９】
ドーパントのうち、アクセプタのＭｇについては、ＭｇのスパッタリングレートはＧａＮと同程度の値であり、ＭｇターゲットをスパッタしてＧａＮを成長させながらＭｇをドーピングさせると、Ｍｇが必要以上に多くドーピングされ、実効的な濃度が正確なｐ型のＧａＮを形成することは困難である。
【００１０】
Ｍｇの場合には、発光に有効なｐｎ接合を形成するために、Ｍｇを、ＧａＮ層中に０．００１原子％〜１原子％の範囲で含有させながら、ＧａＮ層をエピタキシャル成長させることができる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１２４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、Ｓｉ窒化物を発生させずに、半導体層にＳｉをドープできる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、真空排気される真空槽と、前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットを有し、前記主ターゲットをスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層形成装置であって、前記真空槽内には、ドーパントを含有する副ターゲットが配置された分離容器と、前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気を真空排気する主排気装置と、前記真空槽内の前記分離容器の外部に主スパッタリングガスを供給する主ガス供給系と、前記副ターゲットと前記成膜対象物の間には、貫通孔を有する放出量制限部材が配置され、前記副ターゲットのスパッタリングによって、前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記貫通孔を通過して前記成膜対象物の表面に到達するように構成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成された半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記分離容器の内部雰囲気を真空排気する副排気装置と、前記分離容器の内部に副スパッタリングガスを供給する副ガス供給系とを有する半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスが含有され、前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率が小さくされた半導体層形成装置である。
本発明は、半導体層形成装置であって、前記薄膜材料はＧａであり、前記ドーパントはＳｉであり、前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスである半導体層形成装置である。
本発明は、真空槽と、前記真空槽に接続され、前記真空槽内に主スパッタリングガスを供給するガス供給装置と、前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有する半導体層形成装置を用い、前記真空槽を真空排気しながら前記真空槽内に前記主スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットを前記主スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層製造方法であって、副ターゲットは、真空槽内に配置された分離容器内に配置し、前記真空槽内に配置されたドーパントを含有する前記副ターゲットと前記成膜対象物との間に放出量制限部材を配置しておき、前記分離容器の外部雰囲気と内部雰囲気とを別々に真空排気しながら、前記外部雰囲気には前記主スパッタリングガスを導入し、前記内部雰囲気には副スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットと前記副ターゲットとを、前記主スパッタリングガスと前記副スパッタリングガスとで、それぞれスパッタリングし、前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記放出量制限部材に設けられた貫通孔を通過させて前記成膜対象物に到達させ、前記半導体層に前記ドーパントを含有させる半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記真空槽の内部であって、前記主ターゲットと前記副ターゲットをスパッタリングする際には、前記分離容器の外部の圧力よりも、前記分離容器の内部の圧力を高くする半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを含有させ、前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率を小さくする半導体層製造方法である。
本発明は、半導体層製造方法であって、前記薄膜材料にはＧａを用い、前記ドーパントにはＳｉを用い、前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスを用いる半導体層製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
反応性ガスの圧力について、半導体層の構成物質の少なくとも一部の元素を含む薄膜材料の主ターゲットの周囲の雰囲気の圧力よりも、ドーパントを含有する副ターゲットの周囲の雰囲気の圧力の方を低くすることができるので、Ｓｉの副ターゲット表面と反応性ガスの反応が防止され、半導体層の実効的なドーパント濃度を正確に制御することができる。
【００１５】
また、放出量制限部材の遮蔽部分と貫通孔との間の面積割合や主ターゲットへの投入電力と副ターゲットへの投入電力の比率により、半導体層に含有されるドーパントの濃度を制御することが出来るので、ドーパント濃度を正確にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の半導体層形成装置の一例
【図２】本発明の半導体層形成装置が用いられる光素子製造装置の一例
【図３】本発明の半導体層形成装置が用いられる光素子製造装置の他の例
【図４】(ａ)〜(ｆ)：光素子を製造する工程を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図４(ａ)の符号２１は本発明に用いる基板であり、成膜対象物である。基板２１には、ここではサファイア基板が用いられている。なお、基板２１には、サファイア基板ではなく、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等の半導体基板の他、サファイア上にＧａＮや他の半導体を成長させたテンプレート基板等を用いることもできる。
【００１８】
図２の符号１は、基板２１の表面に光素子を形成する光素子製造装置であり、搬入室１１と、バッファー層形成室１２と、アニール室１３と、ｉ−半導体層形成室１４と、第一導電型半導体層形成室１５と、ＭＱＷ形成室１６と、第二導電型半導体層形成室１７と、搬出室１８とを有している。
【００１９】
各室１１〜１８の間は、真空バルブ１９を介してその順序で直列に接続されている。真空バルブ１９は、基板２１が各室１１〜１８の間を移動する際に開閉されるようになっている。
各室１１〜１８には、それぞれ真空ポンプが接続されており、バッファー層形成室１２と、アニール室１３と、ｉ−半導体層形成室１４と、第一導電型半導体層形成室１５と、ＭＱＷ形成室１６と、第二導電型半導体層形成室１７とは、それぞれ真空排気されて真空雰囲気にされている。
【００２０】
ｐ型とｎ型のうち、ｎ型を第一導電型、ｐ型を第二導電型として説明するが、この実施例では、第一、第二半導体層として、第一導電型又は第二導電型のドーパントを含有するＧａＮ層が形成される。
【００２１】
光素子を形成するために、先ず、基板２１を搬入室１１内に搬入し、搬入室１１内を真空排気した後、搬入室１１とバッファー層形成室１２の間の真空バルブ１９を開けて搬入室１１の内部とバッファ層形成室１２の内部とを接続し、基板２１を搬入室１１からバッファ層形成室１２内に移動させる。各室１１〜１８間の真空バルブ１９は、基板２１が通過すると閉じられる。
【００２２】
バッファー層形成室１２内には、バッファー用材料から成るバッファー用ターゲット(ここでは、バッファー用材料は、Ｇａ又はＧａＮのいずれか一方又は両方である。二個以上のバッファー用ターゲットを配置する場合は、Ｇａから成るバッファー用ターゲットと、ＧａＮから成るバッファー用ターゲットとの両方を配置することもできる。)が配置されており、バッファー層形成室１２内にスパッタリングガスを導入し、バッファー用ターゲットに電圧を印加してスパッタリングガスをプラズマ化し、バッファー用ターゲットをスパッタリングする。
【００２３】
ここでは、スパッタリングガスには、Ａｒ等の希ガスと、化学構造中に形成するバッファー層の少なくとも一元素(ここでは窒素原子)を有する反応性ガス(ここではＮ2ガスが用いられているが、この反応性ガス及び他の層を形成する際の反応性ガスは、Ｎ2、ＮＨ3、ＮＨ2ＮＨ2等が含まれる。)とが含まれており、図４(ｂ)に示すように、基板２１表面には、低温で、半導体材料(ここではＧａＮ)から成るバッファー層２２が形成される。
【００２４】
バッファー層２２を所定膜厚に形成した後、基板２１をアニール室１３に移動させる。
アニール室１３の内部には、赤外線ランプヒーターが設けられており、赤外線ランプヒーターに通電し、昇温させて赤外線を放射させ、基板２１に赤外線を照射し、基板２１を１０００℃〜１１００℃の温度範囲に加熱し、形成したバッファー層２２をアニールする。アニールによってバッファー層２２を結晶化させた後、基板２１をｉ−半導体層形成室１４に移動させる。
【００２５】
ｉ−半導体層形成室１４内には、真性半導体材料(この例ではＧａ)を含有する真性半導体用ターゲット(ここでは、Ｇａターゲット又はＧａＮターゲットのいずれか一方。二台の真性半導体用ターゲットを配置する場合は両方を配置することもできる。)が配置されており、ｉ−半導体層形成室１４内に、上記バッファー層２２のスパッタリングガスと同様に、Ａｒ等の希ガスと、化学構造中に真性半導体を構成する物質の少なくとも一元素(ここでは窒素原子)を有する反応性ガス(ここではＮ2ガス)とを含有するスパッタリングガスを導入し、基板２１を加熱しながら真性半導体用ターゲットに電圧を印加し、真性半導体用ターゲットをスパッタリングし、図４(ｃ)に示すように、バッファー層２２の表面に真性半導体層２３を形成する。ここでは、真性半導体層２３にはドーパントは含有されず、ｉ−ＧａＮ層で構成されている。
【００２６】
真性半導体層２３を所定膜厚に形成した後、基板２１を第一導電型半導体層形成室１５に移動させる。
第一導電型半導体層形成室１５の内部構造を図１に示す。
第一導電型半導体層形成室１５は、真空槽５１を有しており、真空槽５１の内部には、主ターゲット装置５３と、副ターゲット装置６０とが配置されている。
【００２７】
真空槽５１の内部の天井側には基板ホルダ５５が配置されており、主ターゲット装置５３と副ターゲット装置６０とは、その下方に位置している。第一導電型半導体層形成室１５内に移動された成膜対象物２８は、バッファー層２２が形成された面を主ターゲット装置５３と副ターゲット装置６０とが配置された方角に向けて基板ホルダ５５に配置される。
【００２８】
主ターゲット装置５３は、主電極４１と、第一導電型半導体層の材料となる第一薄膜材料を含有する主ターゲット４２を有している。
真空槽５１には、主排気装置４７と主ガス供給装置５０とが接続されており、主排気装置４７を動作させると真空槽５１内が真空排気され、真空槽５１の内部が真空雰囲気にされる。
【００２９】
主ガス供給装置５０には、化学構造中に窒素を有する反応性ガス(この例ではＮ2ガス)が充填された反応性ガスボンベ５８と、希ガスボンベ５９とが設けられており、主排気装置４７の動作によって真空槽５１の内部が所定圧力の真空雰囲気にされた後、主ガス供給装置５０から真空雰囲気にされた真空槽５１の内部に、希ガス(ここではＡｒガス)と反応性ガス(ここではＮ2ガス)とを含有する主スパッタリングガスを供給する。
【００３０】
主ターゲット４２は、円板や四角板等の平板状であり、表面を上方に位置する基板ホルダ５５に向けて主電極４１上に配置されている。
真空槽５１の外部には、主スパッタ電源４９が配置されている。主電極４１は主スパッタ電源４９に接続されており、主スパッタ電源４９を動作させると主電極４１に直流電圧、交流電圧(高周波電圧を含む)、パルス状電圧が重畳された直流電圧等が印加される。
【００３１】
真空槽５１の内部が所定圧力の主スパッタリングガスの雰囲気になった後、主スパッタ電源４９によって主電極４１に電圧を印加すると、主ターゲット４２表面がスパッタリングされ、主ターゲット４２の構成材料がスパッタリング粒子として放出され、基板ホルダ５５に配置された成膜対象物２８の真性半導体層２３の表面に到達する。
【００３２】
第一薄膜材料は、第一導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質であり、反応ガスは、第一導電型半導体層を構成する物質の元素のうち、少なくとも一種類の元素を含むガスであり、反応性ガスは、スパッタリングの際に形成されるプラズマ中で分解される。
【００３３】
第一薄膜材料の主ターゲットからスパッタリングされた物質は、プラズマ中で分解された反応性ガスと反応して、第一導電型半導体層を構成する半導体が反応生成物として生成される物質である。
【００３４】
主ターゲット４２が第一薄膜材料で構成されている場合は、導入された反応性ガスから発生した、第一薄膜材料と反応し第一導電型半導体層を形成する物質が成長する薄膜に取り込まれ、第一薄膜材料と反応して真性半導体層２３の表面に第一薄膜材料の窒化物の薄膜が成長する。
なお、第一薄膜材料を含有する主ターゲットには、第一薄膜材料だけで構成されたターゲットと、第一導電型半導体層と同じ物質で構成されたターゲットの両方が含まれる。
【００３５】
一個の主ターゲットを用いる場合は、第一導電型半導体層を構成する物質から成るターゲットと、第一薄膜材料から成るターゲットとのうち、いずれか一方のターゲットを第一導電型半導体層形成室１５内に配置することができる。
二個以上の主ターゲットを用いる場合は、第一導電型半導体層と同じ物質のターゲットと、第一薄膜材料から成るターゲットの両方を一緒に第一導電型半導体層形成室１５内に配置することができる。
この例では、第一導電型半導体層はＧａＮであり、第一導電型半導体層を構成する元素は、ＧａとＮの二種類あり、第一薄膜材料はＧａであり、反応性ガスは、他の元素であるＮを化学構造中に有している。
【００３６】
主ターゲット４２はＧａＮターゲットであるが、この反応性ガスを用いれば、主ターゲット４２にＧａターゲットを用い、第一薄膜材料を窒化して、ＧａＮから成る第一導電型半導体層を形成してもよい。
主ターゲット４２が 第一導電型半導体層と同じ物質で構成されている場合であっても、その一部は、スパッタリングの際に、分解して一部の元素が失われてしまうが、プラズマによって反応性ガスから生成された失われた元素が、成長する薄膜中に取り込まれ、第一薄膜材料と反応して、特定の元素が欠陥しない第一導電型半導体層２４が形成される。
【００３７】
他方、副ターゲット装置６０は、分離容器６２と、副電極６１と、放出量制限部材６３と、副ターゲット６４とを有している。
副ターゲット６４は、副電極６１上に配置されており、その状態で、分離容器６２の内部に配置されている。分離容器６２の開口は、基板ホルダ５５に向けられており、副ターゲット６４は、分離容器６２の開口から基板ホルダ５５に向くように配置されている。副ターゲット６４は、第一の導電型のドーパントで構成されており、この例では、副ターゲット６４はＳｉで構成されている。
【００３８】
副ターゲット６４と成膜対象物２８との間には、放出量制限部材６３が配置されている。
ここでは、放出量制限部材６３は、分離容器６２の開口に配置され、分離容器６２を蓋しており、従って、副ターゲット６４は、放出量制限部材６３によって蓋がされた分離容器６２の内部空間に配置されている。
【００３９】
放出量制限部材６３は円板や四角板等の板に複数の貫通孔６６が設けられて網状にされており、貫通孔６６を介して、分離容器６２の内部雰囲気と外部雰囲気とが接続されている。
分離容器６２には排気口が設けられており、この排気口には副排気装置６５が接続されている。
従って、真空槽５１の内部雰囲気に於いて、分離容器６２の外部雰囲気は主排気装置４７によって真空排気され、分離容器６２の内部雰囲気は副排気装置６５によって真空排気される。
【００４０】
分離容器６２には、副ガス供給系６７が接続されており、副ガス供給系６７から分離容器６２の内部に、副スパッタリングガスが供給されるようになっている。
従って、主ガス供給装置５０と副ガス供給系６７によって、分離容器６２の外部雰囲気と内部雰囲気にそれぞれ主、副スパッタリングガスを供給しながら、主排気装置４７と副排気装置６５によって、分離容器６２の外部雰囲気と内部雰囲気とをそれぞれ真空排気することができる。
【００４１】
即ち、真空槽５１の内部に於いて、分離容器６２の内部雰囲気と、分離容器６２の外部雰囲気とは別々に真空排気され、主スパッタリングガスと副スパッタリングガスが別々に供給される。
副スパッタリングガスは、主スパッタリングガスよりも反応性ガスの含有率が小さく、本例では、副スパッタリングガスは、希ガスから成り、反応性ガスを含有しないガスが用いられている。
【００４２】
副電極６１は、副スパッタ電源６９に接続されており、副スパッタ電源６９を起動して副電極６１に直流電圧、交流電圧(高周波電圧を含む)、パルス状電圧が重畳された直流電圧等が印加されると、副ターゲット６４は副スパッタリングガスによってスパッタリングされる。
【００４３】
放出量制限部材６３には、一個又は複数個の貫通孔６６が設けられている。放出量制限部材６３は、副ターゲット６４と基板ホルダ５５の間の位置に配置されており、副ターゲット６４のスパッタリング粒子は、一部が貫通孔６６を通過して、分離容器６２の外部に放出され、他の一部は放出量制限部材６３の裏面や分離容器６２の壁面等に衝突してその場に付着し、分離容器６２の外部には放出されない。
【００４４】
放出された副ターゲット６４のスパッタリング粒子は分離容器６２の外部雰囲気を飛行し、基板ホルダ５５に配置された成膜対象物２８の真性半導体層２３表面に到達する。従って、成膜対象物２８の表面には、主ターゲット４２のスパッタリング粒子と、副ターゲット６４のスパッタリング粒子とが到達する。この例では、副ターゲット６４のスパッタリング粒子はＳｉであり、主ターゲット４２のスパッタリング粒子はＧａＮ又はＧａである。
【００４５】
貫通孔６６を通過して副ターゲット装置６０から真空槽５１の内部に放出されるスパッタリング粒子の量は、副ターゲット６４から放出されるスパッタリング粒子の一部であり、従って、成膜対象物２８には、放出量制限部材６３を設けないときよりも少量の副ターゲット６４のスパッタリング粒子が到達する。
【００４６】
成膜対象物２８に到達する副ターゲット６４のスパッタリング粒子の量は、放出量制限部材６３に形成する貫通孔６６の開口の面積と、貫通孔６６以外の部分の面積の比によって制御することができ、また、分離容器６２の内部雰囲気の圧力によっても制御することができる。
【００４７】
成膜対象物２８には、主ターゲット４２のスパッタリング粒子の方が、副ターゲット６４のスパッタリング粒子よりも多量に到達するようにされており、図４(ｄ)に示すように、真性半導体層２３の表面に、第一導電型のドーパントを含有し、第一導電型の第一導電型半導体層２４が形成される。
【００４８】
第一導電型半導体層２４を所定膜厚に形成した後、基板２１を、ＭＱＷ形成室１６に移動させる。
ＭＱＷ形成室１６はＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置であり、ＭＱＷ形成室１６の内部に原料ガスを導入し、第一導電型半導体層２４の表面に、井戸層と障壁層(ここではＧａＮ層とＩｎＧａＮ層)とを交互に積層し、図４(ｅ)に示すように、第一導電型半導体層２４上に、井戸層と障壁層の積層膜から成るＭＱＷ(multiple-quantum well：多重量子井戸)層２５を形成する。
【００４９】
ＭＱＷ層２５を所定膜厚に形成すると、第二導電型半導体層を形成するための成膜対象物２８が得られる。その成膜対象物２８は、第二導電型半導体層形成室１７に移動させ、図４（ｆ）に示すように、ＭＱＷ層２５の表面に第二導電型半導体層(ここではｐ型)２６が所定膜厚形成されると、基板２１上に、バッファー層２２と、真性半導体層２３と、第一導電型半導体層２４と、ＭＱＷ層２５と、第二導電型半導体層２６とがこの順序で積層された光素子２９が得られる。
【００５０】
第二導電型半導体層２６としては、第二薄膜材料であるＧａの窒化物(ＧａＮ)が、ドーパントであるＭｇを微少に含有する第二導電型のＧａＮ薄膜が形成されている。
次に、得られた光素子２９は搬出室１８に移動させ、光素子製造装置１の外部に取り出すと、一連の光素子形成工程が終了する。
【００５１】
以上説明したように、本発明では、真空槽５１が主排気装置４７に接続されて真空排気されると共に、分離容器６２も副排気装置６５に接続されて真空排気されており、主、副スパッタリングガスの供給速度や、主排気装置４７と副排気装置６５の排気速度を制御することで、分離容器６２内の圧力を、真空槽５１の内部であって分離容器６２の外部の圧力よりも高くすると、分離容器６２の内部に主スパッタリングガスに含まれる反応性ガスは侵入しなくなり、副ターゲット６４が反応ガスと反応しないで済む。
【００５２】
それに対し、分離容器６２と放出量制限部材６３とが設けられておらず、副ターゲット６４が主スパッタリングガス中に含まれる反応性ガスに接触してスパッタリングされる場合には、副ターゲット６４は反応性ガスと反応し、Ｓｉの窒化物が生成される。
【００５３】
Ｓｉはスパッタリングレートは低いため、スパッタリング法によって半導体層にＳｉを添加できるが、シリコン窒化物はドーパントとして機能しないため、ＳｉをスパッタリングするとＳｉ窒化物が形成される環境では、電気的に有効なドーパントの濃度を制御することが困難になる。
本願発明では、Ｓｉ窒化物は生成されないため、ドーパント濃度の制御が容易である。
【００５４】
なお、上記実施例では省略したが、各層２２〜２６の形成の際に基板２１の表面上に所定パターンの開口を有するマスクを配置して、パターニングされた各層２２〜２６を形成することができる。
【００５５】
反応性ガスを含有する主スパッタリングガスを用いる場合は、含有率が多い方が成長する薄膜に窒素が多く取り込まれるから、窒化物から成る半導体層を形成する場合、主スパッタリングガス中では、反応性ガスの分圧の方が、希ガスの分圧よりも高い(反応性ガス圧力＞希ガス圧力)ことが望ましい。
【００５６】
上記実施例では、板状の金属材料に、一又は二以上の貫通孔６６が形成された放出量制限部材６３を用いたが、例えば金属製の網やセラミックス製の網を放出量制限部材６３として用いても良い。要するに、副ターゲット６４のスパッタリング粒子を減少させて真空槽５１の内部に放出するようにすればよい。
【００５７】
上記実施例では、第一薄膜材料と反応する反応ガスに、反応性ガスを用いたが本発明は、反応性ガスに限定されるものでは無く、薄膜材料と反応して半導体層の物質を発生させるガスであれば反応性ガスに含まれる。
【００５８】
上記実施例では、真空槽５１の内部のうち、分離容器６２の外部を主排気装置４７によって真空排気し、分離容器６２の内部を、主排気装置４７とは別の副排気装置６５によって真空排気したが、反応性ガスを分離容器６２の内部を通過させずに真空排気して分離容器６２の内部を外部よりも低圧にできれば、同じ真空排気装置によって分離容器６２の内部と外部を別々に真空排気してもよい。
【００５９】
また、上記の例では、各室１１〜１８が一列に直列接続されていたが、図３に示す光素子製造装置２のように、搬入室７１と、バッファー層形成室７２と、アニール室７３と、ｉ−半導体層形成室７４と、第一導電型半導体層形成室７５と、ＭＱＷ形成室７６と、第二導電型半導体層形成室７７と、搬出室７８とを、基板搬送ロボット７０が配置された搬送室７９に設け、基板搬送ロボット７０によって、搬入室７１から搬入した基板２１を、各室７１〜７９の間で成膜して移動させ、搬出室７８から搬出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
２１……基板
２２……バッファー層
２３……真性半導体層
２４……第一導電型半導体層
２５……ＭＱＷ層
２６……第二導電型半導体層
５１……真空槽
５０……主ガス供給装置
６１……副電極
６２……分離容器
６３……放出量制限部材
６４……副ターゲット
６６……貫通孔
４２……主ターゲット(ターゲット)
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気される真空槽と、
前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットを有し、
前記主ターゲットをスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層形成装置であって、
前記真空槽内には、ドーパントを含有する副ターゲットが配置された分離容器と、
前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気を真空排気する主排気装置と、
前記真空槽内の前記分離容器の外部に主スパッタリングガスを供給する主ガス供給系と、
前記副ターゲットと前記成膜対象物の間には、貫通孔を有する放出量制限部材が配置され、前記副ターゲットのスパッタリングによって、前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記貫通孔を通過して前記成膜対象物の表面に到達するように構成された半導体層形成装置。
【請求項２】
前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成された請求項１記載の半導体層形成装置。
【請求項３】
前記分離容器の内部雰囲気を真空排気する副排気装置と、
前記分離容器の内部に副スパッタリングガスを供給する副ガス供給系とを有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項４】
前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスが含有され、
前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率が小さくされた請求項３記載の半導体層形成装置。
【請求項５】
前記薄膜材料はＧａであり、
前記ドーパントはＳｉであり、
前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスである請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項６】
真空槽と、
前記真空槽に接続され、前記真空槽内に主スパッタリングガスを供給するガス供給装置と、
前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有する半導体層形成装置を用い、
前記真空槽を真空排気しながら前記真空槽内に前記主スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットを前記主スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層製造方法であって、
副ターゲットは、真空槽内に配置された分離容器内に配置し、
前記真空槽内に配置されたドーパントを含有する前記副ターゲットと前記成膜対象物との間に放出量制限部材を配置しておき、
前記分離容器の外部雰囲気と内部雰囲気とを別々に真空排気しながら、前記外部雰囲気には前記主スパッタリングガスを導入し、前記内部雰囲気には副スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットと前記副ターゲットとを、前記主スパッタリングガスと前記副スパッタリングガスとで、それぞれスパッタリングし、
前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記放出量制限部材に設けられた貫通孔を通過させて前記成膜対象物に到達させ、前記半導体層に前記ドーパントを含有させる半導体層製造方法。
【請求項７】
前記真空槽の内部であって、前記主ターゲットと前記副ターゲットをスパッタリングする際には、前記分離容器の外部の圧力よりも、前記分離容器の内部の圧力を高くする請求項６記載の半導体層製造方法。
【請求項８】
前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを含有させ、
前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率を小さくする請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【請求項９】
前記薄膜材料にはＧａを用い、
前記ドーパントにはＳｉを用い、
前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスを用いる請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【請求項１】
真空排気される真空槽と、
前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットを有し、
前記主ターゲットをスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層形成装置であって、
前記真空槽内には、ドーパントを含有する副ターゲットが配置された分離容器と、
前記真空槽内の前記分離容器の外部雰囲気を真空排気する主排気装置と、
前記真空槽内の前記分離容器の外部に主スパッタリングガスを供給する主ガス供給系と、
前記副ターゲットと前記成膜対象物の間には、貫通孔を有する放出量制限部材が配置され、前記副ターゲットのスパッタリングによって、前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記貫通孔を通過して前記成膜対象物の表面に到達するように構成された半導体層形成装置。
【請求項２】
前記貫通孔は、前記放出量制限部材に複数個形成された請求項１記載の半導体層形成装置。
【請求項３】
前記分離容器の内部雰囲気を真空排気する副排気装置と、
前記分離容器の内部に副スパッタリングガスを供給する副ガス供給系とを有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項４】
前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスが含有され、
前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率が小さくされた請求項３記載の半導体層形成装置。
【請求項５】
前記薄膜材料はＧａであり、
前記ドーパントはＳｉであり、
前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスである請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体層形成装置。
【請求項６】
真空槽と、
前記真空槽に接続され、前記真空槽内に主スパッタリングガスを供給するガス供給装置と、
前記真空槽内に配置され、半導体層を構成する元素のうち、少なくとも一種類の元素を含む物質である薄膜材料を含有する主ターゲットとを有する半導体層形成装置を用い、
前記真空槽を真空排気しながら前記真空槽内に前記主スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットを前記主スパッタリングガスによってスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に半導体層を形成する半導体層製造方法であって、
副ターゲットは、真空槽内に配置された分離容器内に配置し、
前記真空槽内に配置されたドーパントを含有する前記副ターゲットと前記成膜対象物との間に放出量制限部材を配置しておき、
前記分離容器の外部雰囲気と内部雰囲気とを別々に真空排気しながら、前記外部雰囲気には前記主スパッタリングガスを導入し、前記内部雰囲気には副スパッタリングガスを導入し、前記主ターゲットと前記副ターゲットとを、前記主スパッタリングガスと前記副スパッタリングガスとで、それぞれスパッタリングし、
前記副ターゲットから放出されたスパッタリング粒子は、前記放出量制限部材に設けられた貫通孔を通過させて前記成膜対象物に到達させ、前記半導体層に前記ドーパントを含有させる半導体層製造方法。
【請求項７】
前記真空槽の内部であって、前記主ターゲットと前記副ターゲットをスパッタリングする際には、前記分離容器の外部の圧力よりも、前記分離容器の内部の圧力を高くする請求項６記載の半導体層製造方法。
【請求項８】
前記主スパッタリングガスには、前記薄膜材料と反応して前記半導体層が形成される元素を含む反応性ガスを含有させ、
前記副スパッタリングガスには、前記主スパッタリングガスよりも前記反応ガスの含有率を小さくする請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【請求項９】
前記薄膜材料にはＧａを用い、
前記ドーパントにはＳｉを用い、
前記反応性ガスは、化学構造中に窒素原子を有するガスを用いる請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の半導体層製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２２２４３（Ｐ２０１２−２２２２４３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８５０６（Ｐ２０１１−８８５０６）
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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